E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 1. Vorlesung

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1 E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 1. Vorlesung Heute: - Übersicht über die Veranstaltung - Temperatur und 0. Hauptsatz - Längen- und Volumenausdehnung Prof. Dr. Jan Lipfert Jan.Lipfert@lmu.de Prof. Dr. Jan Lipfert 1

2 E2-E2p: Gesamtübersicht Zwei große Themenblöcke: Wärmelehre / Thermodynamik / statistische Physik Systeme mit (sehr) vielen Teilchen 10 Vorlesungen 1. Klausur ( , 8:00-10:00) Elektromagnetismus / Elektrodynamik Elektrisch geladene Teilchen 13 Vorlesungen 2. Klausur ( , 16:00-18:00) Prof. Dr. Jan Lipfert 2

3 Termine Vorlesungen: Montag 08:15-10:00 (inklusive 15 min Pause) Donnerstag 08:15-10:00 (inklusive 15 min Pause) E2: 4 SWS Vorlesung + 2 SWS Übung = 9 ECTS Punkte E2p: 3 SWS Vorlesung + 1 SWS Übung = 6 ECTS Punkte (In der Praxis werden wir einige Vorlesungen für die E2p optional machen) Wer würde lieber später anfangen? Wer hat eine Veranstaltung um 10:00? Klausuren: 1. Klausur (Wärmelehre): , 8:00-10:00 Uhr 2. Klausur (Elektromagnetismus): , 16:00-18:00 Uhr Nachklausur (Wärmelehre und Elektromagnetismus): Zum Bestehen müssen Sie mindestens zwei der drei Klausuren bestehen. Für die Endnote zählt der beste Mittelwert aus zwei der drei Klausuren Prof. Dr. Jan Lipfert 3

4 Übungsgruppen Tutorien: Zeit Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag 8 10 Uhr Vorlesung 6 Tutorien Vorlesung Uhr 5 Tutorien Uhr 2 Tutorien 1 Tutorium 4 Tutorien Uhr 1 Tutorium 2 Tutorien 1 Tutorium Uhr! Melden Sie sich bitte bis Mittwoch im LSF zu den Übungen an!! Unterstrichene Tutorien besonders für Nebenfächler! Keine Tutorien in der ersten Woche! Keine Übungen am und Prof. Dr. Jan Lipfert 4

5 Team Vorlesung: Prof. Jan Lipfert Lehrstuhl für Angewandte Physik und Biophysik Ludwig-Maximilians-Universität Amalienstraße 54, München Versuche: Paul Koza Leitung der Übungen: Dr. Martin Benoit Simon Fuchs Emmanouil Koutsangelas Lea Wassermann Eine Liste aller Tutoren ist auf der Vorlesungswebseite zu finden Prof. Dr. Jan Lipfert 5

6 Materialien zur Veranstaltung Webseite der Vorlesung: Folien der Vorlesung Es gibt immer eine vorher Version (zum Ausdrucken vor der Vorlesung) und eine komplette Version (mit meinen handschriftlichen Notizen) Übungsblätter, Ankündigungen Die Übungsblätter können auf der Webseite heruntergeladen und ausgedruckt werden. Übungsblätter werden am Montag herausgegeben und sollten am folgenden Montag während der Vorlesung abgegeben werden. Das 1. Blatt muss nicht abgegeben werden, es wird in der 2. Woche in den Tutorien besprochen Prof. Dr. Jan Lipfert 6

7 Vorlesungsfolien Bücher: Literatur Elementar, zum Einstieg: Physik Paul A. Tipler Spektrum Akademischer Verlag ISBN: Typisches E2 Niveau: Experimentalphysik 1 Wolfgang Demtröder Springer ISBN: Halliday Physik David Halliday et al. Wiley-VCH ISBN: Gerthsen Physik D. Meschede Springer ISBN: Ausführlich, gut für Herleitungen: Thermal Physics Daniel Schroeder Pearson ISBN: Prof. Dr. Jan Lipfert Thermodynamik Klaus Stierstadt Springer ISBN:

8 Klausuren 1. Klausur (Wärmelehre): , 8:00-10:00 Uhr 2. Klausur (Elektromagnetismus): , 16:00-18:00 Uhr Nachklausur (Wärmelehre und Elektromagnetismus): Zum Bestehen müssen Sie mindestens zwei der drei Klausuren bestehen. Für die Endnote zählt der beste Mittelwert aus zwei der drei Klausuren. Bei der Klausur sind erlaubt: 1 handbeschriebenes DIN-A4 Blatt, Vorder- und Rückseite; also insgesamt 2 Seiten (beim Schreiben des Blattes lernt man sehr viel!) Ein normaler Taschenrechner (kein Laptop, kein Smartphone) Keine Formelsammlung, keine Lehrbücher Wörterbücher sind erlaubt Prof. Dr. Jan Lipfert 8

9 Übungsblätter: Aufwärmen und Vorrechnen Die bearbeiteten Übungsblätter werden eingesammelt und korrigiert. Jedes Übungsblatt hat zwei Teile. Teil A wird mit entweder 0 oder 1 Punkt bewertet und in der Gruppe besprochen und erklärt. Teil B wird mit 0, 1 oder 2 Punkten bewertet und dann vorgerechnet. Bewertungsschlüssel Teil B: Bearbeitung Aufgabe komplett richtig oder maximal kleine Flüchtigkeitsfehler Richtiger Ansatz, teilweise richtige Rechnungen Bewertung 2 Punkte 1 Punkt A B Übungsblatt Aufwärmen! Kurzaufgaben/ Verständnisfragen Vorrechnen! Längere Rechenaufgaben Nicht bearbeitet oder kein richtiger Ansatz 0 Punkte Prof. Dr. Jan Lipfert 9

10 Übungsmodus: Bonuspunkte Für jeden Block (Wärmelehre und Elektromagnetismus) gibt es maximal 10 Bonuspunkte für die jeweilige Klausur. Pro Block gibt es maximal 5 Bonuspunkte für das Vorrechnen von Übungsaufgaben und 5 Bonuspunkte für abgegebene Übungsblätter. Das Vorrechnen einer Aufgabe bringt maximal 5 Bonuspunkte; man kann mehrfach vorrechnen. Punkte Bonus- Die Bonuspunkte werden zum Ergebnis der Übungsblä.er punkte Klausur(en) addiert (für die Klausuren alleine gibt > 80% 5 es jeweils maximal 100 Punkte). Die Bonuspunkte für die Wiederholungsklausur werden aus dem Durchschnitt der Bonuspunkte beider Blocks berechnet. Man kann auch ohne Punkte aus der Übung an der Klausur teilnehmen, die Klausur bestehen, und eine 1,0 erreichen. Mit 10 Bonuspunkten kann man sich ca. um eine halbe Notenstufe verbessern. > 70% 4 > 60% 3 > 50% 2 > 40% 1 < 40% Prof. Dr. Jan Lipfert 10

11 Verhältnis von Übungen und Vorlesung Die Übungen bauen auf den Stoff der Vorlesung auf, gehen aber auch darüber hinaus. Gleichzeitig wird in den Übungen nicht der Stoff der Vorlesung wiederholt. Die Beschäftigung mit den Übungsaufgaben hilft enorm beim Verstehen des Stoffes und bietet eine gute Kontrolle des eigenen Verständnisses. Die Übungen bieten eine gute Vorbereitung auf die Klausur (sind aber kein reines Klausur-Rechen-Training ) Prof. Dr. Jan Lipfert 11

12 Warum sollte ich die Übungen und Vorlesungen besuchen? Keine Anwesenheitspflicht (weder Vorlesung noch Übung)! Die Vorlesungen führen den Stoff ein, helfen Wichtiges von Unwichtigem zu unterscheiden, Zusammenhänge zu sehen. Experimente veranschaulichen den Stoff und bilden Gedächtnisstützen für spätere Wiederholung. Sowohl Vorlesung als auch Übung bieten Forum und Treffpunkt für Diskussion, Ansprechpartner, Gleichgesinnte und Fragen. Die Vorlesungen und Übungen sind ein Angebot an Sie! Es liegt an Ihnen, was Sie aus dieser Veranstaltung (und aus Ihrem Studium an der LMU) machen! Prof. Dr. Jan Lipfert 12

13 Aktive Teilnahme an den Übungen korreliert mit Klausurerfolg! PN1 WS2013/14 PN1 WS2014/15 PN1 WS2015/16 PN1 WS2016/17 PN1 WS2017/18 Studenten mit 10 Punkten aus den Übungen erzielen im Mittel ca. 15 Punkte mehr in der Klausur als Studenten mit 0 Punkten, d.h. insgesamt 25 Punkte mehr Prof. Dr. Jan Lipfert 13

14 PINGO: Peer instruction for very large groups Wir werden das online-feedback System PINGO benutzen. Zum Mitmachen brauchen Sie ein Internet-fähiges Gerät: 1. Gehen Sie auf die Webseite pingo.upb.de 2. Geben Sie die Kennziffer der Session ein. Für heute: Stimmen sie ab! Beispielfrage zum Ausprobieren: Wie nehmen Sie an der Abstimmung teil? Prof. Dr. Jan Lipfert 14

15 Motivation: Thermodynamik & statistische Physik Was mache ich mit Systemen, die aus (sehr!) vielen Teilchen bestehen? Eine Theorie ist desto eindrucksvoller, je größer die Einfachheit ihrer Prämissen ist, je verschiedenartigere Dinge sie verknüpft und je weiter ihr Anwendungsbereich ist. Deshalb der tiefe Eindruck, den die klassische Thermodynamik auf mich machte. Es ist die einzige physikalische Theorie allgemeinen Inhalts, von der ich überzeugt bin, dass sie im Rahmen der Anwendbarkeit ihrer Grundbegriffe niemals umgestoßen wird. Statistical physics is not really modern physics it is pre-modern physics, it is modern physics, and I assure you it will be post-modern physics. Albert_Einstein Albert Einstein ( ) Leonard Susskind (*1940) Prof. Dr. Jan Lipfert 15

16 Anwendung der klassischen Mechanik auf Systeme mit vielen Teilchen Molekulardynamik (MD): Numerische Lösung der Newtonschen Bewegungsgleichungen mit einem empirischen Potential Cytochrome c (ein kleines Protein): Glutaminsäure Prof. Dr. Jan Lipfert 16

17 Möglichkeiten und Limitierungen von Molekulardynamik Simulationen Proteinfaltungssimulationen Simulation eines HIV Capsids NTL9 Protein, faltet in ~1.5 ms Voelz, Pande et al., JACS (2010) Insgesamt 64 x 10 6 Atome, 100 ns Simulation (Thanks to Rafael Bernadi, Schulten group UIUC) Limitierungen: Typischer Integrationszeitschritt 1 fs typische Simulationen ~ns bis µs Anzahl der simulierten Atome typischerweise Interpretation!? Now the computer knows the answer, but I would like to know it, too! Prof. Dr. Jan Lipfert 17

18 Unser Vorgehen in diesem Semester: Thermodynamik & statistische Mechanik Thermodynamik betrachtet Stoffe als Kontinuum und beschreibt Systeme mit makroskopischen Zustandsgrößen: Druck p, Volumen V, Temperatur T Dampfmaschine nach James Watt, 1766 Statistische Mechanik geht von einer mikroskopischen Betrachtung der Teilchen aus und beschreibt sie mit statistischen Methoden. Rüttelmaschine für Gasmodell Prof. Dr. Jan Lipfert 18

19 Klassische Anwendungen von Thermodynamik Die Thermodynamik wurde im 18. und 19. Jahrhundert vor allem zum Verständnis und der Optimierung von Wärmekraftmaschinen entwickelt Dampfmaschine (Newcomen 1712; Watt 1766) Heizkraftwerk Dampfmaschine und Energieumwandlung Turbine Verbrennungsmotor Fusionsreaktor (Prototyp) Kraftwerk Aus wiki/ Verbrennungsmotor Aus wiki/iter Heißluftmotor

20 Statistische Mechanik in der Biologie Swimming in molasses, walking in a hurricane Dean Astumian Animation: Brownsche Dynamik Brownsche Molekularbewegung (Howard Berg Lab, Harvard) Datei:Robert_brown_botaniker.jpg Robert Brown Botaniker ( ) Animation: Molekularer Motor (XVIVO / Harvard) Schwimmende E. coli Bakterien (Howard Berg Lab, Harvard) 20

21 Anwendungen von Thermodynamik in der Meteorologie Bildung von Wolken Änderung der Lufttemperatur Prof. Dr. Jan Lipfert 21

22 Thermodynamik in der Kosmologie/Astrophysik Schwarze Löcher als thermodynamisches System Frühes Universum ist im lokalen thermischen Gleichgewicht LTGG Hawking Strahlung ist thermische Strahlung! National Astronomical Observatory of Japan Thermonukleare Prozesse (Supernova, Kernfusion in Sternen, Galaxienentstehung) Prof. Dr. Jan Lipfert 22

23 Temperatur und der 0. Hauptsatz Wärme ist ungeordenete Molekülbewegung. Wärmeenergie ist kinetische Energie dieser Bewegung. Temperatur ist ein lineares Maß für den Mittelwert der kinetischen Energie der ungeordneten Molekülbewegung. 0. Hauptsatz der Thermodynamik: Befinden sich zwei Körper im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten, so stehen sie auch untereinander in thermischen Gleichgewicht. Sie haben in diesem Fall die gleiche Temperatur. Viele Eigenschaften hängen von der Temperatur ab und können zur Temperaturmessung genutzt werden! (z.b. Leitfähigkeit, Volumen, Länge, Farbe, etc.) NTC-Widerstand Infrarotkamera Datei:Nullter_Hauptsatz_der_Thermodynamik.svg Prof. Dr. Jan Lipfert 23

24 Temperaturskalen Mikroben im Eis Stamm C 42 C Pulsar Menschliche Körpertemperatur Einstein_condensate index.php/polaromonas_vacuolata Bose-Einstein Kondensation 10 9 K 10 6 K 4 C /11/helium-3-mine.jpg 130 C Organisches Leben 10 3 K Helium-3 Superflüssig wiki/hydrothermal_vent 1K Kosmische Hintergrundstrahlung Cosmic_microwave_background 103 K Oberfläche Sonne 106 K rolobter/diplom/astro/ neutronenstern/pulsar2.jpg 109 K Kernwaffe 1012 K Universum 1s nach Urknall Prof. Dr. Jan Lipfert wiki/kernwaffe 24 Universe

25 Thermische Ausdehnung: Längenausdehnung Längenausdehnung: Rohre mit Wasserdampf Material α (10-6 / ºC) Eis (0 ºC) 51 Aluminium 23 Kupfer 17 Stahl 11 Diamant 1,2 Invar 0,7 Längenausdehnung: Bimetallschalter & Bimetalspirale Prof. Dr. Jan Lipfert 25

26 Thermische Ausdehnung: Volumenausdehnung Material β (10-3 / ºC) Aceton 1,46 Ethanol 1,40 Mineralöl 0,7 Quecksilber 0,18 Wasser (bei 0ºC) -0,068 Wasser (bei 100ºC) 0,782 Volumenausdehnung: Flüssigkeitsthermometer (Wasser und Ethanol) Prof. Dr. Jan Lipfert 26

27 Zusammenhang zwischen Längen- und Volumenausdehnung Betrachte ein Material mit isotroper Temperaturausdehnung Bolzensprenger Prof. Dr. Jan Lipfert 27

28 Kräfte bei der Temperaturausdehnung Elastizitätsmodul oder Youngscher Modul für Festkörper: Thomas_Young_(Physiker) Thomas Young ( ) Bolzensprenger Prof. Dr. Jan Lipfert 28

29 Celsius Temperaturskala Zum Festlegen einer Temperaturskala benötigt man zwei Temperatur-Referenzpunkte und eine Einteilung in Untereinheiten zwischen den Referenzpunkten Celsius nutzte kochendes Wasser und Eiswasser als Referenzpunkte für die Temperatur Anders_Celsius Anders Celsius ( ) wiki/carl_von_linné Carl von Linné ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 29

30 Fahrenheit Temperaturskala Fahrenheit nutzte als Referenzpunkte: Salzlake-Eis-Wasser Mischung = 0 ºF Eiswasser = 32 ºF Körpertemperatur eines gesunden Menschens = 96 ºF Daniel_Gabriel_Fahrenheit Daniel Fahrenheit ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 30